自动变速器动力传递路线分析(一) 基础知识

一.自动变速器动力传递概述
自动变速器由液力元件、变速机构、控制系统、主传动部件等几大部分组成。变速机构可分为固定平行轴式、行星齿轮式和金属带式无级自动变速器(CVT)三种。我国在用的车辆中,大多数自动变速器都采用行星齿轮式变速机构,这也是本文重点分析的对象。行星齿轮机构一般由2个或2个以上行星齿轮组按不同的组合方式构成,其作用是通过对不同部件的驱动或制动,产生不同速比的前进挡、倒挡和空挡。


换挡执行元件的作用是约束行星齿轮机构的某些构件,包括固定并使其转速为0,或连接某部件使其按某一规定转速旋转。通过适当选择行星齿轮机构被约束的基本元件和约束方式,就可以得到不同的传动比,形成不同的挡位。换挡执行元件包括离合器、制动器和单向离合器3种不同的元件,离合器的作用是连接或驱动,以将变速机构的输入轴(主动部件)与行星齿轮机构的某个部件(被动部件)连接在一起,实现动力传递。制动器的作用是固定行星齿轮机构中的某基本元件,它工作时将被制动元件与变速器壳体连接在一起,使其固定不能转动。单向离合器具有单向锁止的特点,当与之相连接的元件的旋转趋势使其受力方向与锁止方向相同时,该元件被固定(制动)或连接(驱动);当受力方向与锁止方向相反时,该元件被释放(脱离连接)。由此可见,单向离合器在不同的状态下具有与离合器、制动器相同的作用。
由以上介绍可知,掌握不同组合行星齿轮机构的运动规律是自动变速器故障诊断的基础。


二.单排单级行星齿轮机构
1.单排单级行星齿轮机构的传动比
最简单的行星齿轮机构由一个太阳轮、一个内齿圈和一个行星架组成,我们称之为一个单排单级行星排,如图1所示。由于单排行星齿轮机构具有两个自由度,为了获得固定的传动比,需将太阳轮、齿圈或行星架三者之一制动(转速为0)或约束(以某一固定的转速旋转),以获得我们所需的传动比;如果将三者中的任何两个连接为一体,则整个行星齿轮机构以同一速度旋转。
目前,在有关自动变速器的资料中,有关传动比的计算公式有以下几个:
(n1-nH)/(n3-nH)=-Z3/Z1 式(1)
式中:n1-太阳轮转速;nH-行星架转速;n3-内齿圈转速;Z1-太阳轮齿数;Z3-内齿圈齿数
n1 αn2-(1 α)n3=0 式(2)
式中:n1-太阳轮转速;n2-内齿圈转速;n3-行星架转速;α=内齿圈齿数/太阳轮齿数=Z2/Z1
Z2=Z1 Z3 式(3)
式中:Z1-太阳轮齿数;Z2-行星架假想齿数;Z3-内齿圈齿数
下面对这3个公式的原理与推导过程作以介绍,这也是本文后面对不同型号自动变速器速比计算方法的基础。定轴轮系齿轮传动比计算公式为i=(-1)m(所有的从动齿轮数乘积)/(所有的主动齿轮数乘积)=(-1)mZn/Z1,它对行星齿轮机构是不适用的。因为在行星齿轮机构中,星轮在自转的同时,还随着行星架的转动而公转,这使得定轴轮系传动比的计算方法不再适用。我们可以用“相对速度法”或“转化机构法”对行星齿轮机构的传动比进行分析,这一方法的理论依据是“一个机构整体的绝对运动并不影响其内部各构件间的相对运动”,这就好象手表表针的相对运动并不随着人的行走而变化一样,这一理论是一位名叫Willes的科学家于1841年提出的。假定给整个行星轮系加上一个绕支点O旋转的运动(-ω),这个运动的角速度与行星架转动的角速度(ω)相同,但方向相反,这时行星架静止不动,使星轮的几何轴线固定,我们就得到了一个定轴轮系,这样就能用定轴轮系的方法进行计算了。用转速n代替角速度ω,不同构件转化前和转化后的转速见表1。
利用定轴轮系传动比计算公式有:
i13H=n1H/n3H=(n1-nH)/(n3-nH)=(-1)1Z2Z3/Z1Z2=-Z3/Z1 式(4)
如果把α=Z2/Z1代入原公式(4)中,可得到式(2)或式(3)。由此可见,这3个公式其实是同一个公式的不同表达方式。
2.单排单级行星齿轮机构行星架的假想齿数
在式(4)中,假设固定内齿圈,使n3=0,代入式(5)得式(6):
n1/nH=(Z1 Z3)/Z1 式(5)
又:i1H=n1/nH=ZH/Z1 式(6)
联解式(5)、(6)可得出:
ZH=Z1 Z3
即“行星架的假想齿数是太阳轮齿数和内齿圈齿数之和”,注意,这一结论只适用于单级行星齿轮机构,在双级行星齿轮系就不适用了。
3.单排单级行星齿轮机构运动状态分析
(1)太阳轮固定(n1=0),行星架驱动,内齿圈输出:将n1=0代入式(4),有i=nH/n3=Z3/(Z1 Z3),传动比小于1,即为同向增速运动。
(2)太阳轮固定(n1=0),内齿圈驱动,行星架输出:将n1=0代入式(4),有i=n3/nH=(Z1 Z3)/Z3,传动比大于1,即为同向减速运动。
(3)齿圈固定(n3=0),行星架驱动,太阳轮输出:将n3=0代入式(4),有i=nH/n1=Z1/(Z1 Z3),传动比小于1,即为同向增速运动。
(4)齿圈固定(n3=0),太阳轮驱动,行星架输出:将n3=0代入式(4),有i=n1/nH=(Z1 Z3)/Z1,传动比大于1,即为同向减速运动。
(5)行星架固定(nH=0),齿圈驱动,太阳轮输出:将nH=0代入式(4),有i=n3/n1=-Z1/Z3,传动比小于1,且为负值,即为反向增速运动。
(6)行星架固定(nH=0),太阳轮驱动,齿圈输出:将nH=0代入式(4),有i=n1/n3=-Z3/Z1,传动比大于1,且为负值,即为反向减速运动。
现将单排单级行星齿轮机构在不同状态下的旋转速度和方向总结于表2。


三.单排双级行星齿轮机构
1.单排双级行星齿轮机构的传动比
单排双级行星齿轮机构与单排单级行星齿轮机构相比,多了一只啮合齿轮, 如图2所示。
同样根据转换法,对于多级啮行星齿轮系,我们通过单排单级行星齿轮机构传动比的计算公式,可以推出如下公式:
iGKH=nGH/nKH=(nG-nH)/(nK-nH)=
(-1)m(从G到K所有的从动齿轮数乘积)/(从G到K所有的主动齿轮数乘积),(式中m为从G到K啮合齿轮的对数) 式(7)
对于单排双级行星齿轮机构,m=2,从式(7)我们可以得出单排双级行星齿轮机构的运动方程式为:
i13H=n1H/n3H=(nnH)/(n3-nH)=(-1)2Z2Z3/Z1Z2=Z3/Z1 式(8)
2.单排双级行星齿轮机构行星架的假想齿数
在式(8)中,假设固定内齿圈,使n3=0,代入式(8)得式(9):
n1/nH=(Z3-Z1)/Z1 式(9)
又:i1H=n1/nH=ZH/Z1 式(10)
联解式(9)、(10)可得出:
ZH=Z3-Z1
即单排双级行星齿轮机构中,行星架的假想齿数是内齿圈齿数减去太阳轮齿数。可见,单排双级行星齿轮机构的速比计算公式和行星架的假想齿数与单排单级行星齿轮机构是不同的,这一点在本文后面不同车型自动变速器复杂行星齿轮机构传动比的计算时非常重要。
3.单排双极行星齿轮机构运动状态分析
对于单排双级行星齿轮机构,有Z3>Z1,(Z3-Z1)<Z3,但(Z3-Z1)与Z1的大小比较不确定,所以在下面的旋转规律分析中,有些条件不具备的情况没有列出增速还是减速。
(1)太阳轮固定(n1=0),行星架驱动,内齿圈输出:将n1=0代入式(8),有i=nH/n1=Z1/(Z1-Z1),传动比大于1且为正,即为同向减速运动。
(2)太阳轮固定(n1=0),内齿圈驱动,行星架输出:将n1=0代入式(8),有i=n1/nH=(Z3-Z1)/Z3,传动比小于1且为正,即为同向增速运动。
(3)齿圈固定(n3=0),行星架驱动,太阳轮输出:将n3=0代入式(8),有i=nH/n1=-Z1/(Z3-Z1),传动比为负,但是大于还是小于1不确定,故为反向运动。
(4)齿圈固定(n3=0),太阳轮驱动,行星架输出:将n3=0代入式(8),有i=n1/nH=-(Z3-Z1)/Z1,传动比为负,但是否大于或小于1不确定,故为反向运动。
(5)行星架固定(nH=0),齿圈驱动,太阳轮输出:将nH=0代入式(8),有i=n3/n1=Z1/Z3,传动比小于1,且为正值,即为同向增速运动。
(6)行星架固定(nH=0),太阳轮驱动,齿圈输出:将nH=0代入式(8),有i=n1/n3=Z3/Z1,传动比大于1,且为正值,即为同向减速运动。
现将单排双级行星齿轮机构的旋转速度和方向总结于表3。对于单排双级行星齿轮机构,有Z3>Z1,(Z3-Z1)<Z3,但(Z3-Z1)与Z1的大小比较不确定,所以在下表的旋转规律中,有些条件不具备的情况没有列出增速还是减速。


四.复杂行星齿轮机构
由以上行星齿轮机构传动比分析可知,简单的行星齿轮机构不能满足汽车行驶时对不同速比的要求,因此在实际应用中常常采用多个单排行星齿轮机构进行串、并联或换联主从动构件的方法组成更为复杂的行星齿轮机构,来满足汽车行驶挡位的需要。将两个单排单级行星齿轮机构组合起来形成的双排单级行星齿轮机构,称为辛普森结构;将一个单排单级行星齿轮机构和一个单排双级行星齿轮机构或由两个单排双级行星齿轮机构按特定的方式组合起来,称为拉维那式行星齿轮机构。以上介绍的是简单的行星齿轮机构的运动规律分析及传动比的计算方法,实际应用的复杂行星齿轮机构将在各车型动力传递分析中介绍。

自动变速器动力传递路线分析(一) 基础知识

扫一扫手机访问